淺析鋼筋混凝土的耐久性

(山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島 266590)

0 前言

隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步，對(duì)建筑方面的需求也越來越高，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也日益廣泛，具有堅(jiān)固，整體性和防火性好等優(yōu)點(diǎn)。但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工作階段，會(huì)發(fā)生很多預(yù)料不到的因素，比如疲勞荷載，外界環(huán)境變化都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成很大的損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)達(dá)不到預(yù)期的壽命，1987年美國(guó)國(guó)家材料顧問委員會(huì)的一個(gè)關(guān)于混凝土耐久性的調(diào)查研究報(bào)告在美國(guó)甚至全世界范圍內(nèi)引起了很大的轟動(dòng)。該報(bào)告指出，大約有25.3萬座混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁橋面板，其中有一部分僅使用了還不到20年就已經(jīng)發(fā)生不同程度地?fù)p壞，使用年限大大低于40 ～50年的設(shè)計(jì)的壽命，并且每年橋梁的破壞數(shù)量還在增加[1]，不僅僅存在安全隱患，還會(huì)造成很多經(jīng)濟(jì)上的損失。每年各國(guó)都會(huì)在結(jié)構(gòu)維修上花費(fèi)大量的錢財(cái)，此外還會(huì)影響人們的交通出行等，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，對(duì)于建筑行業(yè)也要跟上時(shí)代步伐，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及耐久性上進(jìn)行不斷探索研究，有利于我國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展。

鋼筋混凝土的耐久性關(guān)乎建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命，對(duì)于其存在的安全隱患也逐漸引起了重視。1992至 2008年，我國(guó)先后舉辦過 7次全國(guó)性的學(xué)術(shù)交流會(huì)和 2次專題討論會(huì)。在2000年1月，國(guó)務(wù)院頒布的<建設(shè)工程質(zhì)量管理?xiàng)l例>第二十一條明確規(guī)定:“設(shè)計(jì)文件應(yīng)當(dāng)符合國(guó)家規(guī)定的設(shè)計(jì)深度要求，注明工程合理使用年限”，同年7月份建設(shè)部又下達(dá)了“關(guān)于建設(shè)單位執(zhí)行建設(shè)工程合理使用年限問題的通知”。[2]由此可見，我國(guó)越來越重視混凝土的耐久性問題，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性也可以減少不必要的浪費(fèi)，如何延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命仍然是當(dāng)今混凝土研究的一個(gè)重點(diǎn)問題。

1 鋼筋混凝土耐久性的影響因素

在橋梁，鐵路，隧道，房屋建設(shè)等等，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨處可見，在抵抗荷載作用以及環(huán)境帶來的病害時(shí)，使結(jié)構(gòu)保持整體的穩(wěn)定性和良好的工作性能，混凝土都發(fā)揮著巨大的作用。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工作階段，鹽類的侵蝕，環(huán)境作用以及疲勞荷載等等都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不同程度的影響，為減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的病害，首先要研究使其性能下降的因素，然而影響鋼筋混凝土耐久性因素有很多，本文主要從以下幾個(gè)方面介紹：

1.1 抗?jié)B性

混凝土的抗?jié)B性取決于液體在混凝土表層或鋼筋保護(hù)層內(nèi)的滲透速率，并且滲透速率隨著混凝土內(nèi)部最可幾孔徑尺寸的變化而變化。[3]混凝土的抗?jié)B性不僅僅體現(xiàn)于抗水能力，更重要的是抗各種離子的滲透性（例如氯離子等），由于混凝土在拌和的時(shí)候往往會(huì)加入一些輔助材料，水泥水化也會(huì)產(chǎn)生氣泡等，結(jié)構(gòu)中就會(huì)分布有不同的孔隙，這些離子就會(huì)進(jìn)入到混凝土的孔隙中，一些有害離子對(duì)混凝土或鋼筋發(fā)生侵蝕。而且滲透進(jìn)入混凝土孔隙中的微觀離子有可能會(huì)改變混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以抗?jié)B性對(duì)于混凝土耐久性的影響不容忽視。

1.2 抗凍性

凍害無疑是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一。我國(guó)有相當(dāng)大的部分地區(qū)處于嚴(yán)寒地帶，尤其在東北地區(qū)，興建的水工混凝土建筑物基本都發(fā)生了不同程度的凍融破壞。主要是因?yàn)樗嗨磻?yīng)剩余的水游離于混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔中，隨著水泥水化混凝土內(nèi)部也會(huì)存在一些凝膠，溫度較低時(shí)，水結(jié)冰體積膨脹可能就會(huì)發(fā)生破壞，如果混凝土處于飽和水狀態(tài)，膠凝孔中尚未凍結(jié)的水向毛細(xì)孔方向滲透，導(dǎo)致毛細(xì)孔進(jìn)一步膨脹，此時(shí)還會(huì)產(chǎn)生滲透壓，結(jié)構(gòu)就很可能會(huì)產(chǎn)生開裂等破壞。[4]由于一年四季的溫差變化較大，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)歷反反復(fù)復(fù)的凍脹，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)造成嚴(yán)重的損傷，所以混凝土的抗凍性至關(guān)重要。

1.3 抗侵蝕性

混凝土的侵蝕性體現(xiàn)在很多方面，常見的有鋼筋銹蝕，混凝土碳化以及一些其他的化學(xué)反應(yīng)等。混凝土碳化是指空氣中的 CO2氣體進(jìn)入混凝土中并與堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土的堿度降低，機(jī)理下降的過程[4]。水泥水化生成的Ca(OH)2與鋼筋作用會(huì)形成一層鈍化膜，對(duì)鋼筋起到保護(hù)作用，如果空氣中的 CO2進(jìn)入就會(huì)破壞這層保護(hù)膜，鋼筋失去保護(hù)就會(huì)開始發(fā)生銹蝕。一般情況下，混凝土保護(hù)層碳化，氯離子的侵蝕和雜散電流誘導(dǎo)是混凝土中鋼筋銹蝕的主要三個(gè)原因，其中，氯離子的銹蝕危害最大。[5]鋼筋發(fā)生銹蝕后，結(jié)構(gòu)的承載能力下降主要體現(xiàn)在一下三方面：(1)鋼筋截面面積減小；(2)混凝土出現(xiàn)銹脹裂縫；(3)粘結(jié)錨固性能下降[6]。鋼筋一旦銹蝕，鋼筋的力學(xué)性能就會(huì)折減，并且鋼筋不能與混凝土充分結(jié)合發(fā)揮理想的強(qiáng)度。此外，鋼筋銹蝕體積膨脹，也有可能使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生起鼓，剝落等。

1.4 堿集料的反應(yīng)

堿集料反應(yīng)是指存在于混凝土孔隙中的堿性物質(zhì)與混凝土中骨料的一些活性物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)[7]，混凝土發(fā)生堿一集料反應(yīng)需要3個(gè)必要條件:集料具有潛在活性；混凝土孔溶液有足夠高的堿度；混凝土處于高濕度環(huán)境下[8]。混凝土在配制時(shí)，水泥水化會(huì)生成Ca(OH)2，在混凝土的孔隙中就會(huì)以堿溶液的形式存在，此外都會(huì)根據(jù)需要來添加外加劑，這樣就會(huì)引進(jìn)高活性物質(zhì)，在混凝土的工作階段，堿集料反應(yīng)的很容易發(fā)生，使混凝土的體積發(fā)生變化，影響混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害非常大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剝落，坍塌。

2 改善混凝土耐久性的措施

影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素如此之多，我們也要采取相應(yīng)的措施來提高結(jié)構(gòu)的壽命，使結(jié)構(gòu)能夠最大化地為人類帶來便利。隨著對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的不斷深入研究，眾多的專家和學(xué)者對(duì)混凝土的耐久性問題做出了深入的研究，并且得到了多種解決方案：(1) 在選材上，合理選擇水泥品種并按照嚴(yán)格的比例配置來配置混凝土，并且保障施工質(zhì)量，不僅可以防治混凝土的碳化，而且可以從根本上提高混凝土的性能，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性，此外也有助于后期的維修改進(jìn)工作。(2) 在混凝土的配制時(shí)加入硅灰，粉煤灰，礦渣等高活性摻和料，有助于水泥的水化反應(yīng)，并且能使混凝土的密實(shí)度增加，有效改善混凝土的強(qiáng)度。現(xiàn)如今，大量的摻合料已經(jīng)廣泛應(yīng)用，因?yàn)檫@些礦物摻合料很多都來源于工業(yè)廢渣，簡(jiǎn)單易得，成本低廉。(3) 摻加引氣劑來改善混凝土的和易性，來增強(qiáng)混凝土的抗凍性；也可以考慮摻加減水劑，減水劑的摻入，可以降低混凝土的水膠比，提高混凝土的抗氯離子滲透能力。[9](4) 在鋼筋表面涂保護(hù)層，可以阻礙鋼筋與有害物質(zhì)的接觸。也可以選用陰極保護(hù)法和陽極保護(hù)法，陰極保護(hù)法經(jīng)濟(jì)有效已被廣泛使用，陽極保護(hù)法是將被保護(hù)的構(gòu)件與外加直流電源的正極連接，當(dāng)電流通過時(shí)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成鈍化區(qū)，從而金屬構(gòu)件得到保護(hù)。[10](5) 在施工過程中，按要求澆筑混凝土，并且加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)，控制混凝土表面的裂縫，確保施工質(zhì)量，[11]從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的評(píng)估方法

對(duì)于我們生活中常見的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或多或少都會(huì)看見裂縫，那么對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)我們還能否放心使用呢？另一方面，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用階段，由于外界條件無法掌控，實(shí)際情況錯(cuò)綜復(fù)雜難易預(yù)料，與理想化的設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)有很大的區(qū)別，所以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估是十分必要的，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估，了解結(jié)構(gòu)的安全情況，如有特殊情況以比便于及時(shí)處理。目前，對(duì)于混凝土耐久性的評(píng)估方法有很多，主要有三種：(1) 傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法：就是有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員依據(jù)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果做出評(píng)估；(2) 人工智能：借助于模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能手段的綜合評(píng)估法；(3) 可靠度理論：以可靠度理論為基礎(chǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估方法[12]。因此本文認(rèn)為要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期檢測(cè)，及時(shí)了解結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，加大對(duì)結(jié)構(gòu)的保護(hù)力度，以免不確定因素對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞；同時(shí)有利于對(duì)結(jié)構(gòu)的影響因素以及加固進(jìn)行下一步的研究，掌握結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)也可以大大減少安全隱患，及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修加固。

4 結(jié)語

影響混凝土耐久性的因素主要有抗?jié)B性，抗凍性，抗侵蝕性以及堿集料反應(yīng)等，可以從這些方面綜合考慮來提高混凝土的耐久性，并實(shí)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估，了解結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，采取相應(yīng)的措施增加混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，有利于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。目前，雖然已經(jīng)有很多渠道可以很好的改善混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，但對(duì)于混凝土的耐久性問題，仍然是廣大專家學(xué)者研究的重點(diǎn)問題之一。

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